基于μC／OS-II及Nios II的多窗口顯示屏控制器的設計與實(shí)現

引言

LED大屏幕顯示屏是當今室外平面顯示的主流，其控制系統的技術(shù)發(fā)展也日趨成熟，控制系統按數據傳輸方式分為兩類(lèi)：同步顯示和異步顯示。同步顯示控制系統即LED顯示屏和視頻數據源實(shí)時(shí)保持一致，視頻信號實(shí)時(shí)變化。異步顯示控制系統通過(guò)USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等數據通信方式，更新大屏幕控制系統的視頻數據存儲區。數據更新由上位機控制，LED顯示屏的視頻信息變化由視頻數據存儲區的數據決定。在異步顯示系統中，可實(shí)現將顯示屏分為若干區域，不同的區域對應不同的存儲區，數據更新時(shí)可以只更新其中的一個(gè)或幾個(gè)窗口。本設計采用嵌入式操作系統μC/OS-II的多線(xiàn)程控制方式，分別控制各個(gè)窗口的數據區域，實(shí)現單屏幕多窗口的任意位置顯示，使得顯示方式更加靈活方便。

　　1 系統總體設計

采用SOPC技術(shù)在FPGA上構建Nios II軟核作為L(cháng)ED顯示控制系統的處理器，實(shí)現32位的嵌入式系統操作。通過(guò)基于μC/OS-II的嵌入式操作系統的軟件設計，完成對DVI視頻顯示數據的接收和預處理。掃描電路接收視頻數據后進(jìn)行存儲，同時(shí)將數據進(jìn)行再組織并送往掃描屏。

1.1 系統硬件結構

多窗口顯示屏控制系統的結構框圖如圖1所示。

計算機顯卡數據通過(guò)DVI接口將數據傳送給顯示屏控制系統的解碼電路部分，DVI解碼芯片將獲得的視頻數據解碼，得到RGB視頻數據和控制信號?？刂菩盘栔邪袙呙栊盘柡蛨?chǎng)掃描信號，顯示屏控制系統根據場(chǎng)掃描信號判斷采集1幀視頻數據是否結束，并將視頻數據寫(xiě)入發(fā)送系統的數據存儲器RAM進(jìn)行緩存。FPGA從RAM存儲器中讀取數據，將該數據按照灰度級分為8個(gè)區域模塊進(jìn)行重新組織、轉換，然后通過(guò)移位串行時(shí)鐘送入LED顯示屏進(jìn)行顯示。本系統的數據處理模塊、數據存儲模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實(shí)現。

　　1.2 軟件總體設計

全彩色LED大屏幕數據量大，本設計將顯示屏從邏輯上劃分為多個(gè)窗口，軟件部分基于μC/OS-II嵌入式操作系統編程實(shí)現。μC/OS-II操作系統的任務(wù)調度算法比較先進(jìn)，在顯示系統中，可以將每個(gè)窗口的顯示操作都交給某個(gè)任務(wù)來(lái)執行，這樣可以從很大程度上提高整個(gè)系統的運行速度和軟件的可靠性。

軟件基于Nios II IDE開(kāi)發(fā)完成，應用程序基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現。軟件主要由2個(gè)任務(wù)和1個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)間采用信號量的方式進(jìn)行通信。計算機系統的顯卡數據經(jīng)DVI解碼模塊解碼后得到RGB視頻數據。任務(wù)1接收RGB視頻信息，并對視頻信息進(jìn)行濾波、數據的位組合、數據存儲區的重新組合等處理操作。任務(wù)2從內存中讀取數據，并進(jìn)行分析處理，把分析處理完的數據送往掃描控制模塊。利用μC/OS-II的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的特點(diǎn)，采用嵌入式文件系統進(jìn)行數據管理。

　　2 控制器的硬件部分設計方案

2.1 視頻數據解碼模塊分析

采取從顯卡的DVI接口獲取數據，經(jīng)過(guò)視頻控制系統進(jìn)行適當的數據變換，再發(fā)送到LED顯示屏上顯示。此模塊用來(lái)獲取視頻源數據，完成對顯卡DVI接口傳輸的TMDS編碼數據的接收。通過(guò)TMDS解碼，實(shí)現對RGB視頻數據和像素時(shí)鐘CLOCK、像素有效信號DE、行同步信號HSYN、場(chǎng)同步信號VSYN、同步檢測信號SCDT等視頻顯示控制信號的恢復。

計算機顯卡輸出的DVI差分信號不能直接作為L(cháng)ED的掃描數據信號，需要經(jīng)過(guò)解碼，將該信號恢復為數字視頻數據RED[70]、GREEN[70]、BLUE[70]等像素信息，還需要恢復控制信號，如行同步信號HSYNC、場(chǎng)同步信號VSYNC、數據使能信號DE和時(shí)鐘CLK等控制信息。需要一個(gè)解碼電路對DVI差分信號進(jìn)行解碼，本設計采用TFP401A DVI解碼芯片實(shí)現該功能，解碼后的數據信息用于提供給LED屏控制器使用。

2.2 數據的存儲組織模塊分析

數據寫(xiě)入SRAM存儲器中的組織方式有兩種：位平面法和組合像素法。位平面法是指像素的每一位分別存放在不同的存儲設備中；組合像素法是指畫(huà)面上每個(gè)像素的所有位均集中存放在單個(gè)存儲設備中。LED屏像素數據每一位的權值是不同的，高位的權值高，也就意味著(zhù)高位為1時(shí)LED的點(diǎn)亮時(shí)間要長(cháng)。根據兩種存儲結構的特點(diǎn)，對于LED屏，采用位平面結構有利于提高LED屏的顯示效果，從而更容易實(shí)現D/T（data to time）轉換。位平面法的數據需要重新組織，利用位平面結構有利于提高LED屏的顯示效果。數據重構示意圖如圖2所示。

數據重構后，通過(guò)QuartusⅡ軟件編譯，得出如圖3所示仿真波形。其中，當col為1時(shí)，表示已寫(xiě)完上面8個(gè)地址的數據，此時(shí)讀地址計數器開(kāi)始計數。datain為串行輸入數據，dout為串行輸出數據。

圖3 數據重構模塊的仿真波形

2.3 掃描控制模塊

將數字視頻信號進(jìn)行緩存處理，并將RGB信號通過(guò)脈寬調制（PWM）轉換為供LED顯示所需的信號送往掃描模塊。掃描控制模塊由用戶(hù)自定義的PWM IP核和顯存組成，顯存采用1片SRAM實(shí)現，用來(lái)保存當前顯示的1幀點(diǎn)陣信息數據。PWM模塊通過(guò)AvalON總線(xiàn)和Nios IICPU連接，將從CPU接收到的數據按指定地址寫(xiě)入顯存，然后再按一定的尋址方式從顯存中讀取點(diǎn)陣信息數據進(jìn)行掃描。

2.4 其他功能模塊

串口控制器、定時(shí)器、存儲器控制器通過(guò)SOPC Builder軟件定制集成IP核自動(dòng)生成。

　　3 控制系統軟件部分設計

該操作系統利用高效任務(wù)調度算法調度每個(gè)任務(wù)，而每個(gè)窗口的顯示由單個(gè)任務(wù)完成。

3.1 數據結構

數據在存儲器中的存儲形式直接影響數據的存取速度和控制的復雜度，本系統對顯存中的數據和緩存區的數據均重新組織，降低了數據處理和掃描控制復雜度。

3.1.1 顯存數據的組織

LED顯示屏的每個(gè)像素點(diǎn)都包括紅、綠、藍3種基色，每種顏色的灰度級均為256級，即由8位數據對像素點(diǎn)灰度級進(jìn)行編碼，故每個(gè)像素點(diǎn)需要占用3字節的存儲空間。顯示時(shí)，每個(gè)像素的紅管、綠管、藍管是同時(shí)點(diǎn)亮的，也就是說(shuō)，3種顏色的數據是并行上屏的。據此，可將紅綠藍3種顏色對應的數據分開(kāi)存儲，以方便操作。數據存儲方式如圖4所示。每種顏色的數據集中存放在某個(gè)區中，每個(gè)區域的首地址作為3種顏色的基址，在進(jìn)行數據存放時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)只需給出相對變化地址（變址），然后加上不同的基址就可以在3個(gè)區域中找到對應點(diǎn)的視頻數據。

圖4 存儲器分區圖
LED顯示屏灰度的實(shí)現方法，是分權重掃描的。這樣就需要把顏色數據位分離，然后同權重的位重新組合。為了方便操作，存儲時(shí)把圖4所示的分區中的每個(gè)區再分為8個(gè)權重區，所有同權重的數值集中放于對應權重區中。所謂位分離就是把數據的高低位按權重分開(kāi)，然后重新組織。位分離的實(shí)現在可編程邏輯器件中也比較容易實(shí)現，可以劃出一塊邏輯矩陣，操作時(shí)橫向存入，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖5所示。

圖5 位分離示意圖

3.1.2 緩存數據的組織

若要進(jìn)行特技效果顯示，則當前顯示的數據幀和下一個(gè)數據幀存在著(zhù)某種變換關(guān)系，由于CPU只能對顯存進(jìn)行寫(xiě)操作，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等、地址一一對應的區域screen,用于存儲當前顯示的數據幀信息。如果各窗口之間存在重疊現象，且特技數據處理運算直接在screen區域進(jìn)行，則窗口重疊部分信息可能發(fā)生混亂。故在緩存中再為每一個(gè)窗口劃分出一塊存取空間（part 1,part 2,…，part n），用于存儲本窗口顯示的前一幀數據信息。在特技數據處理運算時(shí)，先在part區域處理各窗口的數據信息，然后將轉換完的數據送往各窗口在screen區域所對應地址的存取空間，最后將screen中的數據寫(xiě)入地址對應的顯存，從而完成顯示。

3.2 軟件設計

基于上述方案，程序的設計將變得非常簡(jiǎn)潔。首先進(jìn)行系統初始化，然后從Flash中讀取屏參數，進(jìn)行參數初始化。接著(zhù)建立任務(wù)Task Control,對各窗口顯示任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，它擁有比各窗口顯示任務(wù)都高的優(yōu)先級。它每隔1 s對reset標志進(jìn)行一次查詢(xún)，如果reset=1,則刪除原先建立的各窗口顯示任務(wù)，從Flash中讀取新的窗口個(gè)數，然后依此建立新任務(wù)，將每個(gè)窗口的顯示交由單個(gè)任務(wù)來(lái)控制。

下面是TaskControl任務(wù)的程序演示：

窗口顯示任務(wù)用于實(shí)現屏幕各窗口的顯示。它可根據各窗口顯示方式的不同在其相應area區域中進(jìn)行下一幀數據的運算。在完成1幀數據顯示后，調用OSTime DlyHMSM（）使當前任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)并進(jìn)行一次任務(wù)調度，將系統控制權交給其他處于就緒狀態(tài)的顯示任務(wù)，由此完成和窗口顯示任務(wù)之間的切換。也可以通過(guò)調整OSTimeDlyHMSM（）的參數來(lái)改變各窗口2幀顯示信息之間的時(shí)間間隔，從而可調整各窗口特技顯示的效果，如移動(dòng)顯示的移動(dòng)速度。下面是其中一個(gè)窗口顯示任務(wù)的程序演示：


　　4 結論

本設計充分利用了Nios II 32位處理器的高性能和μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統高效的任務(wù)調度算法，實(shí)現了單屏幕多窗口顯示，顯示屏控制變得更加靈活。整個(gè)控制系統在1片FPGA芯片上完成，有效降低了系統的成本。